O que são forças? (Física)

Embora você provavelmente esteja familiarizado com a palavra “força” e a tenha ouvido ser usada em conversas cotidianas (“Eu não tive escolha - ele me forçou a fazer isso!”), Você conhece a definição física de força?

Neste artigo, você aprenderá não apenas o que é realmente uma força, mas também de onde veio a ideia e como ela é usada na física.

Para entrar na mentalidade física certa para compreender as forças, lembre-se do que você sabe sobre movimento. Você pode descrever a posição de um objeto (localização no espaço) e pode descrever como essa posição muda com o tempo; a taxa de mudança de posição por unidade de tempo é ovelocidade. Você também pode descrever como essa velocidade muda - a taxa de mudança da velocidade por unidade de tempo é chamadaaceleração​.

Essas quantidades físicas - posição, velocidade e aceleração - são todas quantidades vetoriais, o que significa que têm magnitude e direção associadas a eles.

Se um objeto estiver em repouso, como uma pedra na calçada, você provavelmente terá bastante certeza de que ele ficará lá até que algo o faça se mover. Ou alguém que está andando na calçada a chuta, ou talvez a pedra seja leve o suficiente para ser empurrada por um vento forte. Quando isso ocorre, seu movimento muda. A quantidade física que causa essa mudança, como veremos, é uma força.

Você provavelmente também tem a sensação de que certos objetos são mais difíceis de mover do que outros. Imagine uma pequena pedra comparada a uma pedra pesada. Você precisaria chutar a pedra com muito mais força para fazê-la se mover. Da mesma forma, se dois objetos - um leve e um pesado - já estivessem se movendo, é muito mais difícil fazer o mais pesado parar.

Esta resistência de um objeto a quaisquer mudanças em seu movimento é chamada de inércia. A quantidade de força necessária para efetuar uma certa mudança está relacionada à massa, que é uma medida de inércia.

A ideia de uma força existe há muito tempo, mas não era bem compreendida em grande parte por causa de interpretações errôneas de atrito.

Aristóteles propôs que todos os objetos têm um estado natural em que desejam descansar e que o farão a menos que uma força aja. Ele usou essa noção para explicar por que os objetos caem no solo ou diminuem a velocidade para parar depois de serem empurrados.

Galileu, no entanto, refutou essa ideia e explicou a existência de uma força de parada chamada atrito. Ele determinou que os objetos continuariam se movendo em trajetórias em linha reta se não houvesse atrito para retardá-los.

Sir Isaac Newton deu uma maior formalização às observações de Galileu com seu famoso três leis do movimento. Ele foi capaz de descrever o que as forças fazem, como agem e até mesmo atribuir números com unidades ao conceito.

A primeira lei do movimento de Newton - às vezes chamada de lei da inércia - afirma que um objeto em repouso permanece em estado de repouso, a menos que uma força desequilibrada atue sobre ele. Esta parte é bastante intuitiva quando você pensa em chutar a pedra na calçada. Além disso, esta lei declara que qualquer objeto submetido a um movimento de velocidade constante (movimento a uma velocidade constante em um caminho em linha reta) continuará a fazê-lo, a menos que seja influenciado por uma força externa líquida.

A segunda parte da primeira lei é menos intuitiva porque em nossas interações cotidianas, os objetos não tendem a se mover para sempre. Mas isso é porque eles são acionados por uma força resistiva chamada atrito.

A segunda lei do movimento de Newton afirma que a força resultante em um objeto (que é a soma vetorial de todas as forças atuantes) é igual ao produto do objeto massa e aceleração. Em outras palavras:

A segunda lei do movimento de Newton foi capaz de explicar por que é preciso empurrar com mais força objetos pesados ​​do que objetos mais leves para fazer com que mudem de movimento. Também relacionou formalmente a força à quantidade física de aceleração, que é a mudança no movimento do objeto.

A terceira lei do movimento de Newton explicou ainda como as forças vêm em pares. Ele afirma que se o objeto A aplica força ao objeto B, então o objeto B aplica força ao objeto A que é igual em magnitude e na direção oposta da força no objeto B.

A terceira lei de Newton explica por que as armas recuam quando são disparadas e por que, se você subir em um skate e empurrar contra uma parede, você acaba rolando para trás.

Uma força pode ser considerada um empurrão ou um puxão. Se apenas uma única força atuar sobre um objeto, essa única força fará com que o movimento do objeto mude na proporção inversa de sua massa.

Força é uma grandeza vetorial, o que significa que tem magnitude e direção. A direção de uma força resultante é sempre a mesma que a direção da aceleração ou mudança de movimento (que pode ser oposto à direção do movimento em tais situações em que um objeto está diminuindo baixa.)

A unidade SI de força é o newton onde 1 N = 1 kgm / s². A unidade CGS é o dine onde 1 dine = 1gcm / s².

Você já sabe que pode exercer uma força sobre um objeto empurrando-o ou puxando-o. Isso é conhecido como força de contato porque requer contato. Mas também existem muitos outros tipos de forças.

Uma lista de algumas forças comuns que você encontra ao estudar física inclui o seguinte:

• ​Força gravitacional:O força da gravidade em um objeto pode ser observado durante o movimento de queda livre, no qual um objeto acelera em direção ao solo. Mas a força gravitacional também é o que mantém os planetas em órbita e o que o impede de voar para o espaço.
• ​Força normal:Trata-se de uma força de suporte que atua perpendicularmente a uma superfície e que impede que objetos caiam no chão ou no tampo da mesa.
• ​Força eletromagnética:Isso se refere coletivamente a forças magnéticas e forças eletrostáticas. Esses tipos de forças são o resultado de carga ou carga em movimento. É a razão pela qual os elétrons se repelem e os ímãs se unem.
• ​Forças de atrito:O força de atrito é uma força que se opõe ao movimento de um objeto. É por isso que é mais difícil deslizar um livro sobre a mesa do que deslizar um livro sobre uma folha de gelo. A força de atrito varia dependendo das superfícies que estão em contato umas com as outras.
• ​A resistência do ar:Essa força é semelhante ao atrito. Resulta do próprio ar se opondo ao movimento de objetos que caem por ele. Se um objeto cair por tempo suficiente, a força da resistência do ar fará com que ele atinja sua velocidade terminal.
• ​Força de tensão:Este é um tipo de força que é transferida ao longo de uma corda, fio ou algo semelhante.
• ​Outras forças fundamentais:Existem quatro forças fundamentais da natureza. Dois são gravidade e eletromagnetismo, que já foram listados, e os outros dois são a força nuclear fraca e a força nuclear forte. Esses dois últimos normalmente afetam apenas as coisas em uma escala subatômica, e é por isso que você pode nunca ter ouvido falar deles.

A segunda lei de Newton fez menção de um força resultante. A força resultante em um objeto é a soma vetorial de todas as forças que atuam em um objeto.

Por exemplo, você pode ter duas pessoas empurrando um bloco em direções opostas com forças iguais. Mas a força resultante acaba sendo 0, o que significa que o bloco não se move porque essas duas forças se cancelam.

Os diagramas de corpo livre são esboços que você pode desenhar indicando a magnitude e a direção de cada vetor de força em um objeto com uma seta de comprimento proporcional apontando na direção da força. Ao resolver problemas de física envolvendo forças, você provavelmente esboçará muitos desses diagramas porque ajuda a visualizar quais forças estão agindo e torna mais claro como somar as forças para obter a rede força.

Se não houver força resultante em um objeto, isso significa, através da segunda lei de Newton, que a aceleração do objeto é 0. Em outras palavras, o objeto deve ter velocidade constante.

• Observe que a velocidade constante não é igual à velocidade 0. Um objeto que se move a uma velocidade constante de 2 m / s, por exemplo, necessariamente não tem força resultante atuando sobre ele.

Você pode ter ouvido falar de uma força chamada força centrípeta. Isso não foi listado com as outras forças na seção anterior porque, na verdade, é um tipo de força resultante. É a força resultante na direção radial para qualquer objeto em movimento circular.

O movimento circular, mesmo a uma velocidade constante, não é um movimento de velocidade constante porque não mantém um caminho em linha reta. Alguma combinação de forças deve agir para causar movimento circular. A força centrípeta é a força resultante radial que causa esse tipo de movimento.

• Não confunda força centrípeta com força centrífuga. Esta última é considerada uma pseudo-força. É a força que parece agir sobre um objeto em movimento circular. Por exemplo, quando você está em um carro que faz uma curva, pode sentir que está sendo pressionado contra a lateral do carro, mas o que está realmente acontecendo é que uma força está puxando você para um caminho curvo.

Certas forças parecem agir misteriosamente sem contato. Um exemplo com o qual você está familiarizado é a força gravitacional. Quando um objeto cai, a terra o puxa em sua direção, sem nem mesmo tocá-lo.

Uma ferramenta matemática que os físicos desenvolveram para descrever esse fenômeno é a noção de um campo. (Sim, um "campo de força", mas não do tipo que protege você de torpedos de fótons!)

Um campo gravitacional é a atribuição, a cada ponto no espaço, um vetor que indica a magnitude relativa e direção da força gravitacional naquele local independente de qual objeto pode experimentar uma força naquele localização. O valor do campo gravitacional em qualquer ponto seria simplesmente a força gravitacional que seria sentida por uma massamnaquele local, mas dividido porm​.

Esta noção de um campo de força permite uma explicação dessas forças "misteriosas" que parecem agir sem tocar em nada, descrevendo a força como resultante de um objeto interagindo com o campo.

Assim como os campos gravitacionais, você também pode ter um campo elétrico ou um campo magnético que descreve o força relativa por unidade de carga ou (força por unidade de momento magnético) que um objeto sentiria em qualquer localização.